BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 62520320 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Hà Nội - 2016
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân
1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Phản biện 1: PGS.TS Lều Thọ Bách Phản biện 2: PGS.TS Cao Thế Hà Phản biện 3: PGS.TS Dương Văn Hợp
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1]. Phạm Hương Quỳnh, Nguyễn Thị Sơn., (2013), Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho trong môi trường nước. Tạp chí khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, No 97, pp 128-132.
[2]. Pham Huong Quynh, Nguyen Thi Son., (2014), A study on nitrogen and phosphorus treatment process for pig livestock wastewater to meet national discharge standards., Journal of Science & Technology, Technical universities, No 103, pp 104-108.
[3]. Phạm Hương Quỳnh, Nguyễn Thị Sơn., (2015), Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước rích rác bằng kết tinh MAP. Tạp chí khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, No 104, pp 108-111.
[4] Pham Huong Quynh, Nguyen Thi Son. (2015), The comparision of sewage treating expense by MAP isolating method and casual method, Journal of Thai Nguyen Science and Technology Vol 126, No 12, pp 107-111
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Việt
Nam được đánh giá là quốc gia có tốc độ tăng trưởng nhanh, dự kiến đạt 7-8% trong thập kỷ
này. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân cũng được nâng cao, nhu cầu tiêu
dùng tăng nhanh là sự thách thức mới về ô nhiễm môi trường đặc biệt là sự gia tăng đột biến chất thải ở các đô thị.
Chôn lấp rác thải là phương pháp phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở nước
ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và đô thị đã, đang và sẽ còn được áp dụng ở hầu hết các
địa phương trong cả nước.
Công nghệ xử lý sinh học được hướng tới nhằm giảm chi phí xử lý. Tuy nhiên trong
nước rác có chứa hàm lượng amoni lớn gây kìm hãm quá trình xử lý sinh học. Gần đây một số bãi rác sử dụng công nghệ Stripping - loại nitơ bằng đuổi khí NH3 do thổi khí ở áp lực cao trong môi trường kiềm mạnh (pH>10) hoặc khuấy trộn ở tốc độ cao hoặc phương pháp hoá học để loại amoni trong nước rác. Tuy nhiên các hợp chất tạo thành như: NH2Cl, NHCl2 hay NCl3 là những chất có tính oxy hoá mạnh nên phương pháp này không thể áp dụng trước xử lý sinh học. Các phương pháp xử lý này đều có chi phí cao và gây ô nhiễm thứ cấp.
Kết tinh MAP (struvite) được nghiên cứu nhằm loại bỏ amoni đã được nhiều tác giả
trên thế giới nghiên cứu áp dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi và đã thu được một số thành công nhất định. Struvite có tích số tan 7,8.10-15 ở nhiệt độ 250C nên được sử dụng dưới dạng phân bón nhả chậm rất hiệu quả cho cây trồng.
Vì vậy nghiên cứu này được thực hiện nhằm thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác.
Ngoài tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho cây trồng còn góp phần loại được yếu tố ức chế
quá trình xử lý sinh học và đơn giản hoá, nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý.
2. Mục tiêu của luận án
Các nghiên cứu của luận án nhằm thực hiện các mục tiêu chính:
- Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rác dưới dạng
kết tinh MAP.
- Xử lý nước rác bằng công nghệ sinh học ( yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây) chi phí
thấp.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho tạo MAP và
tách nitơ, phốt pho trong nước rác.
1
- Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ sinh học đơn giản
tiêu tốn ít năng lượng theo 2 công đoạn:
+ Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn ít năng lượng
+ Xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây.
- Đề xuất công nghệ xử lý nước rác cho bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ (bãi chôn lấp
Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên)
4. Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới
và trong nước về kết tinh MAP.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm theo các công nghệ khác nhau:
+ Xử lý nitơ, phốt pho trong nước rác bằng tạo kết tinh MAP.
+ Xử lý nước rác sau tách MAP bằng công nghệ liên hợp yếm - thiếu khí.
+ Xử lý tiếp tục đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây.
- Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích theo TCVN.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đưa ra một công nghệ xử lý nước rác với nhu cần năng lượng thấp và vận hành đơn giản.
- Xác định được các thông số tối ưu cho quá trình tách MAP, tận thu được nguồn nitơ,
phốt pho trong nước rác dưới dạng phân bón nhả chậm dùng trong nông nghiệp đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường không khí do đuổi NH3.
- Công nghệ áp dụng không sử dụng các hóa chất gây ô nhiễm môi trường.
- Áp dụng công nghệ xử lý cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên và các
bãi chôn lấp quy mô nhỏ.
7. Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án
- Hoàn thiện công nghệ xử lý nước rác để áp dụng vào thực tế với chi phí năng lượng
thấp, vận hành đơn giản.
- Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác, giảm tác nhân ức chế cho
quá trình xử lý sinh học.
2
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặc trưng của nước rác
Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rác mới (tươi) cao hơn rất nhiều so với nước rác đã chôn lấp lâu năm. Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 đối với nước rác tươi; 0,005-0,2 đối với nước rác cũ, ở thời điểm này thành phần hữu cơ trong nước rác chủ yếu là
axit humic và axit fulvic, đây là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học .
Ngoài ra nước rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam còn có thêm đặc điểm do nằm
trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa (nóng ẩm mưa nhiều) khí hậu Việt Nam chia hai
mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Vì vậy nước rác ở các bãi chôn lấp biến động lớn về
thành phần và khối lượng theo các thời điểm trong năm. Thêm vào đó, do rác chôn lấp hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên thành phần khá phức tạp, hàm lượng ô nhiễm hữu cơ
cao đến rất cao, đặc biệt đối với nước rác tươi.
Nhìn chung, nước rác ở nước ta có nồng độ ô nhiễm cao và thành phần phức tạp. Vì
vậy, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp cho mỗi bãi chôn lấp gặp rất nhiều khó khăn.
1.2 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác
1.2.1 Một số công nghệ xử lý nước rác trên thế giới
Rác sinh hoạt ở các nước phát triển được phân loại nghiêm ngặt tại nguồn nên nước rác có
thành phần ô nhiễm không lớn và ít biến động. Nước rác ít thành phần độc hại gây kìm hãm sự
phát triển của vi sinh vật nên công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến trong xử lý nước rác.
1.2.2 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam
- Tuần hoàn nước rác và phân hủy vi sinh trong môi trường sunphat được Tô Thị Hải
Yến và đồng nghiệp nghiên cứu nhằm tạo điều kiện phân hủy thành phần hữu cơ ở thể rắn
chuyển sang dạng hòa tan, tạo khả năng oxy hóa khử mạnh hơn cho xử lý sinh học tiếp theo.
- Công nghệ SBR cải tiến và oxy hóa bằng fenton do tác giả Nguyễn Hồng Khánh và cộng sự nghiên cứu. Công nghệ này phải điều chỉnh pH về 2 - 4 và có thể dùng ion Fe2+ dạng hòa tan. Quy trình cơ bản của phản ứng Fenton là bổ sung Fe2+ và H2O2 vào dung dịch cần xử lý. Cơ chế của phản ứng này bao gồm nhiều bước trong đó sự biến đổi giữa trạng thái oxy hóa 2+ và 3+ của ion sắt.
- Công nghệ keo tụ - tạo phức - fentol - Perozon do tác giả Trần Mạnh Trí nghiên cứu và áp dụng tại bãi chôn lấp Gò Cát để xử lý nước rác sau UASB với COD = 5.424mg/l,
Hiệu quả xử lý COD đạt 97%. Công nghệ này chỉ xử lý được COD và độ màu nhưng chưa xử lý được nitơ trong nước rác.
3
- Công nghệ UV/fenton được Trương Quý Tùng và cộng sự nghiên cứu xử lý nước rác tại bãi Thủy Tiên – Huế. Công nghệ sử dụng đèn UV và H2O2 ở pH ~3 đã loại được 71% COD và 90% độ màu sau 2 giờ. Nước sau xử lý có tỷ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46.
- Công nghệ fenton 3 bậc được tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự nghiên cứu. Với COD dòng vào 665mg/l cần bổ sung 750 mg/l H2O2 và 3.750 mg/l phèn sắt. Thời gian phản ứng 7 phút, hiệu quả xử lý COD đạt 87,5%.
- Công nghệ Ozone đơn và Perozon được tác giả Hoàng Ngọc Minh nghiên cứu xử lý
nước rác tươi bãi chôn lấp Nam Sơn - Sóc Sơn (Hà Nội). Sau 120 phút hiệu quả xử lý đạt
11-15% COD và 78-87% độ màu; nước rác cũ (trơ) xử lý được 36% độ màu và 9% COD. Tác giả cũng cho biết quá trình catazon với xúc tác Al2(SO4)3 cho hiệu quả cao hơn Perozon 1,27-1,31 lần và xúc tác FeSO4 cao hơn Perozon 1,47-1,68 lần.
Nhìn chung các công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam chủ yếu là công nghệ kết hợp,
tuy nhiên hiệu quả xử lý chưa cao do chưa loại bỏ được yếu tố kìm hãm. Các phương pháp
này còn gặp phải một số hạn chế do gây ô nhiễm thứ cấp, xử lý không triệt để và đặc biệt là:
giá thành cao, tiêu tốn nhiều năng lượng.
1.3. Tổng quan nghiên cứu về MAP
Quá trình tách MAP đã được nghiên cứu trên một số loại nước thải khác nhau nhằm
tận thu nguồn nitơ phốt pho. Kết quả nghiên cứu khẳng định hiệu quả của quá trình xử lý sơ
bộ bằng tách MAP là khá cao.
Kurt. N. O và cộng sự đã nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải đô thị bằng kết tinh
MAP, nhờ vậy có thể tránh gây tắc nghẽn đường ống do tinh thể MAP tạo thành. Kochany.
J đã tiến hành nghiên cứu so sánh phương pháp tạo MAP với phương pháp fenton trong xử
lý sơ bộ trước khi xử lý yếm khí. Kết quả tiền xử lý bằng kết tinh MAP loại bỏ 56% amoni
và 30% COD, trong khi phương pháp fenton có khả năng loại bỏ tới 60% COD nhưng hầu
như không loại được amoni, yếu tố kìm hãm và hạn chế đáng kể quá trình xử lý sinh học
yếm khí. Cũng theo tác giả này chi phí đầu tư cho kết tinh MAP trước xử lý sinh học là lựa chọn cho hiệu quả kinh tế cao hơn rõ rệt.
Nathan. O và cộng sự (2003) nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải chăn 3- giảm 91% - 96%, amoni loại được 46,3%. Cũng với nuôi lợn cho thấy ở tỷ lệ 1:1,6:1, PO4 nước thải chăn nuôi Yong Huy Song và cộng sự (2014) đã nghiên cứu: kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt 90-94% ở pH = 9-10,5.
Khả năng tách MAP đã được khẳng định là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu với nước thải chăn nuôi. Nước rác là một đối tượng giầu nitơ và phốt pho, tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu trên đối tượng này do thành phần ô nhiễm rất phức tạp.
4
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài - Thành phố Thái
Nguyên. Đặc trưng nước rác tươi được khảo sát từ ngày 23/5/2011 đến 17/10/2014 được
thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
QCVN 25: 2009/BTNMT TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả (cột B2)
pH 1 - 6,2÷7,3 5,5÷9
2 mg/l 1.275÷5.190 100
BOD5 COD 3 mg/l 2.811÷9.758 400
4 mg/l 242,1÷577,5 60
5 mg/l 214,4÷402,1 25
6 mg/l 40,7÷52,3 6
Tổng N + NH4 Tổng P 3- 7 mg/l 35,7÷41,4 -
PO4 SS 8 mg/l 832-1135 100
Độ màu 9 Pt/Co 4895-8550 150
10 mg/l 335÷788 -
11 mg/l 277-392 -
Độ kiềm Ca2+ Cu 12 mg/l 0,03÷0,06 2
Fe 13 mg/l 1,1÷1,6 5
Mn 14 mg/l 0,2÷0,4 1
Mg 15 mg/l 13,4-28,7 -
Ni 16 mg/l 0,03 ÷0,13 0,5
Pb 17 mg/l 0,02÷0,03 0,5
18 Coliform MPN/100ml 4,5.103÷ 10.103 5000
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu xử lý N, P bằng kết tinh MAP ở quy mô phòng thí nghiệm
- Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ yếm thiếu khí, bãi lọc trồng cây ở quy mô phòng thí nghiệm.
5
2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với công nghệ đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thấp
Trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở phần trên, căn cứ vào mục tiêu, yêu cầu, nội dung
nghiên cứu, tài liệu tham khảo cũng như các yêu cầu thực tế đặt ra, phương pháp xử lý được
lựa chọn là xử lý hóa học - sinh học theo các bước sau:
Bước 1: Xử lý sơ bộ - tách nitơ bằng phương pháp hóa học (kết tinh tạo MAP).
Bước 2: Xử lý sinh học bằng thiết bị tích hợp yếm - thiếu khí kết hợp bãi lọc trồng cây.
2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu
2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP
2.3.1.1 Mô tả kết cấu và nguyên lý hoạt động
3-.
Thiết bị gồm: - 1 bình phản ứng hình trụ có d = 150 mm; H = 500 mm; Vpư =6 lít. - 3 bình chứa: NaOH (để điều chỉnh pH); dung dịch MgCl2 và dung dịch PO4 - 1 bộ điều chỉnh pH tự đồng. - 1 bơm định lượng. - 1 bộ cánh khuấy có điều chỉnh được vận tốc.
Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP
- Nguyên lý hoạt động
Hỗn hợp Mg2+, NH4
+ , PO4
3- được điều chỉnh theo tỷ lệ nghiên cứu được đưa vào bình phản ứng. Hỗn hợp dung dịch được điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH bởi thiết bị đo và điều chỉnh pH tự động. Ở đây tốc độ cánh khuấy được điều chỉnh với vận tốc nhất định
nhằm tạo độ đồng nhất, nâng cao hiệu quả của quá trình phản ứng tạo MAP. Sau thời gian
phản ứng tinh thể MAP tạo thành được để lắng và lấy ra từ đáy thiết bị.
6
2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí
2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí
- Kết cấu của thiết bị tích hợp yếm khí – lọc thiếu khí
Thiết bị xử lý liên hợp: yếm khí - lọc thiếu khí là thiết bị hợp khối được chế tạo bằng
thuỷ tinh hữu cơ gồm 2 modul.
Modul 1: Khoang xử lý yếm khí (dạng UASB) dung tích hoạt động 110 lít, bao gồm
hệ thống phân phối nước, thiết bị gia nhiệt và chụp thu biogas.
Modul 2: Khoang lọc thiếu khí được thiết kế gồm 5 ngăn, tổng dung tích chứa 63,25
lít. Mỗi khoang lọc được thiết kế gồm 2 phần: khe chảy tràn và lớp vật liệu lọc đã được hoạt
hóa (chiếm 30% dung tích) Hình 2.2(a) và 2.2(b) .
1. Bể UASB 2. Ống cấp nước vào 3. Kết cấu phân phối nước 4. Nắp UASB 5. Ngăn Anoxic (5 ngăn) 6. Giá thể sinh học 7. Ống thoát nước sau xử lý 8. Ống thu biogas 9. Dẫn cảm biến nhiệt 10. Van xả bùn 11. Chụp thu biogas
Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí
- Nguyên lý hoạt động
Nước được bơm vào bể phản ứng bằng bơm định lượng với vận tốc 2,0; 2,3; 2,6 lít/giờ (theo từng nghiên cứu). Dòng vào qua kết cấu phân phối lỏng (3). Nước rác sau xử lý yếm khí
được lưu vào bình chứa hoặc tự chảy sang thiết bị thiếu khí (nếu xử lý liên tục) qua kết cấu
chảy tràn (h=5mm). Nước được đưa xuống đáy ngăn lọc theo nguyên tắc chảy ngược qua lớp
vật liệu lọc được cố định màng vi sinh vật. Quá trình lọc thiếu khí được thực hiện liên tục từ
ngăn 1 đến ngăn 5. Cuối cùng nước sau xử lý được đưa ra ngoài qua ống thoát (7).
7
2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây
2.3.3.1 Kết cấu thiết bị
Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây được lắp ráp bằng kính chịu lực.
+ Kích thước thiết bị: 1.200 x 500 x 700mm.
+ Tổng dung tích 420 lít
+ Dung tích hoạt động 300 lít
- Vật liệu lọc là sỏi cuội và đá dăm có độ dày 550mm, gồm 3 lớp (hình 2.6)
+ Lớp dưới cùng H = 300 mm là sỏi cuội = 30÷40mm, độ rỗng 46%, tỷ trọng:
1450 kg/m3.
+ Lớp thứ 2 là đá dăm H= 200mm, đường kính trung bình 15÷20mm; độ rỗng 50%;
tỷ trọng 1080kg/m3.
+ Lớp thứ 3 (trên cùng) là sỏi cuội nhỏ H = 50mm; = 5mm; tỷ trọng 1,26 kg/l; độ
rỗng 43,5%.
- Cây riềng hoa (Canna lily) được lựa chọn trồng trên mô hình bãi lọc.
1.Ống dẫn nước dòng vào 2.Khe chảy tràn dòng vào 3.Lớp sỏi cuội d= 5mm 4.Lớp đá dăm, kích thước15-20mm 5. Lớp sỏi cuội d=30-40mm
6. Tấm chắn thu nước 7. Ngăn thu nước sau xử lý 8. Ống thoát dòng ra 9. Khe thu nước (H=5mm)
Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây
2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm
Để khái quát hóa các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, có thể sử dụng các mô hình toán học. Kết quả này được biểu diễn bằng các phương trình hồi quy với phần mềm R phiên bản 2014.
8
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1)
3.1.1 Nghiên cứu quá trình tạo MAP trong môi trường giả định
3.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ Amoni ban đầu
Nghiên cứu được thực hiện với tỷ lệ mol Mg2
+:NH4
+:PO4
3- ở các tương tác sau: 1:0,6:1; 1:1:1; 1:1,6:1; 1:1,9:1và 1:2:1. Thí nghiệm được tiến hành ở giải pH từ 7-10,5 với
thời gian phản ứng 60 phút và vận tốc khuấy trộn 50 vòng/phút.
Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni
Hiệu quả loại bỏ nitơ tạo MAP phụ thuộc tuyến tính với hàm lượng NH4
+ ban đầu, + ban đầu hiệu quả tạo MAP tăng ( Hình 3.1). Kết quả này nghĩa là khi tăng nồng độ NH4 phù hợp với kết quả nghiên cứu của Jiansen Wang và SEPA 2002, Jiansen Wang (2006) và
Kristell (2007).
3.1.1.2 Ảnh hưởng của độ pH tới quá trình tạo MAP
Các thí nghiệm được tiến hành với tương tác Mg2+:NH4
+:PO4
+ có su hướng giảm khi pH >9,5 (Hình 3.2).
3- là 1:1,9:1, pH ở vùng: 8,0÷10,5, vận tộc khuấy trộn 50v/phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy: sau 180 phút hiệu quả 3- và Mg2+ đạt khá cao ( 96,12 % và 97,12%). Nếu pH duy trì ở pH từ 8-10,5 thì loại PO4 + cũng tăng khi pH tăng, cao nhất ở pH 9,3÷9,5 đạt 70,29%, nhưng hiệu hiệu quả loại NH4 quả tách NH4
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, ở tất cả các giá trị pH được khảo sát, đều có một
lượng amoni dư, tồn tại trong dung dịch. Lượng amoni dư này có vai trò ổn định pH trong quá trình tạo MAP, đồng thời magiephotphat cũng được hình thành.
9
3-
+, PO4
3.1.1.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới quá trình tạo MAP
Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới quá trình loại NH4 và Mg2+
Thí nghiệm được tiến hành với các tỷ lệ phản ứng khác nhau ở thời gian lưu 1; 30;
60; 120 và 180 phút và vận tốc khuấy 50v/phút.
Trong hầu hết các kết quả thí nghiệm ở các tỷ lệ khác nhau đều cho thấy hiệu quả + tăng và tăng nhiều nhất ở thời gian từ 1-60 phút. Sau 60 phút hiệu quả loại bỏ loại NH4 amoni vẫn còn tăng, tuy nhiên không nhiều (3-5,6%). Vì vậy thời gian phản ứng được lựa
chọn là 60 phút.
3.1.1.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn tới hiệu quả tạo MAP
Kết quả nghiên cứu cho thấy: tốc độ khuấy trộn ít ảnh hưởng tới quá trình tạo tinh thể
MAP. Ở bình phản ứng tĩnh kết tinh MAP hình thành ít do sự tiếp súc của các phần tử bị
hạn chế. Khi cường độ khuấy quá cao (100 vòng/phút) có thể làm gãy tinh thể ảnh hưởng
đến tính ổn định và khả năng loại bỏ nitơ.
Vậy vận tốc phù hợp cho quá trình tạo MAP là 50v/phút.
3.1.1.5 Thiết lập phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ của nồng độ amoni ban đầu,
pH, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy trộn tới hiệu quả tách Amoni tạo MAP
+ (mg/l)
Gọi x1: Nồng độ NH4 x2: Độ pH x3: Thời gian phản ứng (phút) x4: Tốc độ khuấy trộn (vòng/phút) Y: Hiệu quả tạo MAP (%)
Mối quan hệ của 4 yếu tố đến quá trình tạo MAP được mô tả bằng phương trình hồi quy
có dạng:
Y = -1,562 +1,499x1 + 4,575x2 + 0,044x3 + 0,104x4 + ξ
Với 0,6
trên cũng cho thấy ảnh hưởng của pH (x2) là lớn nhất, tiếp đến là nồng độ amoni ban đầu và
tốc độ khuấy trộn. Thời gian phản ứng ảnh hưởng ít nhất đến quá trình tách amoni tạo MAP.
3.1.1.6 Ảnh hưởng của pH, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy đến kích thước tinh thể
MAP trong môi trường giả định
Kích thước tinh thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thu hồi MAP. Khi kích thước
tinh thể quá nhỏ (<100m) chúng rất dễ bị cuốn theo dòng nước nên khó thu hồi.
- Ảnh hưởng của pH tới kích thước tinh thể MAP
Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước tinh thể tăng khi pH tăng. Khi pH > 9,5
lượng magie phốt phát được hình thành ảnh hưởng đáng kể tới quá trình tạo MAP, kích
thước tinh thể giảm (Hình 3.7).
- Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP
Thời gian,
phút
3- Mg2+
+
Chiều dài
tinh thể, m
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP
% loại bỏ
PO4
NH4
87÷120
39,24
62,80
76,43
1
300÷350
50,22
76,50
85,19
30
1.600÷2.130
60,47
92,47
91,34
60
2.500÷3.200
64,88
93,7
95,28
120
4.000÷4.600
70,29
95,12
97,12
180
(b)
(a)
(d)
(c)
Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút tương tác 1:1,9:1
Kích thước tinh thể tăng lên rõ rệt theo thời gian phản ứng (Bảng 3.3): chiều dài tinh
thể đạt tối đa (4.600m) sau 180 phút (Hình 3.8d). Sau thời gian trên, kích thước tinh thể
11
hầu như không thay đổi. Sau 60 phút kích thước tinh thể đạt 1.600÷ 2.130 m là có thể tách
được một cách dễ dàng. Vậy thời gian lưu tối ưu được lựa chọn là 60 phút.
- Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến kích thước tinh thể
Thí nghiệm được tiến hành với tỷ lệ 1:1,9:1 ở pH =9 với vận tốc khuấy trộn 0; 50;
100 vòng/phút. Ở 100 vòng/phút sau 3 giờ có hiện tượng tinh thể bị gẫy vụn do va đập,
kích thước tinh thể < 211m (Hình 3.9.a). Vận tốc 50 vòng/phút là tối ưu cho quá trình tạo
tinh thể.
(b)
(a)
- Thiết lập phương trình hồi quy về mối quan hệ của pH, vận tốc khuấy và thời gian phản ứng đến
kích thước tinh thể MAP.
2 + ξ
Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 vòng/phút (D 320m),
(b)50 vòng/phút (D 4600m)
Y = -1730 + 387,5x2 +222,6 x2
2 + 10,07x3 + 47,49x4 - 48,53x4
Với 7,0
Phương trình trên cho thấy kích thước tinh thể phụ thuộc vào cả 3 yếu tố x2, x3 và x4.
Khi thời gian tăng kích thước tinh thể tăng, tuy nhiên kích thước tăng nhiều ở thời gian từ
30 đến 60 phút. Kích thước tại thời điểm 60 phút phản ứng có thể thu hồi được.
Khi vận tốc khuấy tăng làm gãy các tinh thể dẫn đến kích thước tinh thể nhỏ khó thu hồi
vì vậy vận tốc khuấy là 50 vòng/phút là phù hợp để kích thước tinh thể ổn định và dễ thu hồi.
3.1.1.7. Kết quả phân tích MAP trong môi trường giả định
Để xác định, đánh giá kết tinh MAP thu được, mẫu MAP được quan sát bằng trắc vi thị
kính, chụp SEM, và Chụp phổ XRD.
12
3- =1:1,9:1;
Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4
+: PO4
thời gian phản ứng 60 phút
3-
+:PO4
Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
=1:1,9:1;
pH = 9, thời gian phản ứng 60 phút, vận tốc 50 vòng/phút
Kết quả chụp mẫu cho thấy mẫu đo được là struvite. Cường độ lớn nhất là kết quả mà
tại góc đo đó phần lớn các tinh thể được xác định là struvite. Tinh thể MAP ở môi trường
giả định có kích thước lớn và đặc biệt khi chụp MAP các tinh thể có sự đồng đều về kích
thước và không có kết tủa Magie phốt phát.
3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài (Bảng 2.1).
+ ban đầu
3.1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
3.1.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng NH4
Hàm lượng NH4
+ trong nước rác có cũng có biến động nhất định. Kết quả khảo sát nước rác
+ dao động trong khoảng
+ tăng.
bãi chôn lấp Đá Mài trong nhiều tháng cho thấy: hàm lượng NH4
214,4÷402,1mg/l. Hiệu quả tách MAP và kích thước tinh thể tăng khi hàm lượng NH4
13
+ đến hiệu quả tách N,P
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4
+ (mg/l)
NH4
pH=7
16,83
18,40
20,80
21.33
Hiệu suất xử lý (%)
pH=8,5
50,96
52,60
52,80
53,10
pH=8
46,15
48,96
49,07
49,55
pH=9
53,37
54,86
54,67
54,88
pH=11
29,81
32,64
33,87
35,45
35,1-70,4
138,4-284,3 305,7-355,2 318,6-413,6 49,3-105,4
214,00
288,00
375,00
402,00
Kích thước tinh
thể (µm)
3.1.2.3 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Bổ sung vào bình phản ứng 100mg tinh thể có kích thước 30-50µm. Kết quả nghiên
cứu (Bảng 3.7).
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Hiệu quả loại bỏ (%)
Thông số
Bình phản ứng
không có mầm
Bình phản ứng
có mầm
+ (mg/l)
52,34 - 52,71
52,47 - 53,13
NH4
Kích thước tinh thể (µm)
322-418
411-575
Trong quá trinh kết tinh MAP, trước tiên mầm tinh thể (các tinh thể có kích thước nhỏ)
được hình thành, tiếp theo nhờ quá trình khuấy trộn phản ứng xảy ra, tinh thể lớn dần. Kết
quả nghiên cứu cho thấy: kích thước tinh thể MAP thu được lớn hơn rõ rệt ở mẫu có bổ
xung mầm (Bảng 3.7).
3.1.2.4 Tách nitơ trong nước rác bằng kết tinh MAP
Các điều kiện tối ưu đã được nghiên cứu ở mục trên. Nghiên cứu tách MAP trong
3- là 1:1,9:1.
nước rác được thực hiện ở pH =9,0; thời gian phản ứng 60 phút; vận tốc khuấy 50
vòng/phút, bổ sung Mg2+; PO4
3- đạt tỷ lệ Mg2+: NH4
+:PO4
+ tạo tinh thể MAP đạt
Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.8) cho thấy khả năng loại bỏ NH4
được khoảng 52,24% - 53,05%. Lượng MAP thô thu được cao nhất là 2,34 mg/l nước rác.
Bảng 3.8 Tách nitơ tạo MAP trong nước rác
pH=9,0
pH
Thông số
+ loại bỏ (%)
NH4
3- loại bỏ (%)
PO4
Mg2+ được loại bỏ (%)
COD được loại bỏ (%)
Kích thước tinh thể (µm)
52,24 ÷ 53,05
95,21÷ 96,01
95,46 ÷97,19
25,70 ÷ 26,21
322÷455,8
14
3.1.2.5 Kết quả phân tích MAP trong nước rác
- Đo kích thước bằng trắc vi thị kính, SEM và chụp phổ XRD
3- =1:1,9:1;
+:PO4
thời gian phản ứng 60 phút vận tốc 50 vòng/phút
Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác
Ảnh chụp SEM tinh thể MAP thu được từ nước rác và quan sát qua trắc vi thị kính cho
thấy các tinh thể không đồng đều. Khi chụp phổ XRD ngoài tinh thể MAP còn có các thành
phần khác như magie phốt phát (cường độ đo được mầu xanh, Hình 3.12).
- Hòa tách xác định thành phần MAP
Kết quả phân tích MAP trong nước rác được trình bày trong Bảng 3.9
15
Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được
TT
Thông số
Đơn vị
Kết quả
TCVN (*)
%
1
10,75
-
NH4
%
2
+ - N
3- - P
46,00
-
PO4
3
Mg
%
26,7
-
4
SS
%
8,3
-
5
Fe
mg/kg
207,3
10.000
6
Ca
mg/kg
62,38
-
7
Zn
mg/kg
28,06
15.000
mg/kg
8
Cd
0,11
< 25
mg/kg
9
Pb
2,58
300
mg/kg
10
Mn
119,47
15.000
mg/kg
11
Ni
1,94
-
mg/kg
12
Cu
12,80
15.000
mg/kg
13
As
0,044
<3
(*) Thông tư 36/2010/TT-BNNVPTNT về việc xản xuất và kinh doanh phân bón.
+ và PO4
Kết quả phân tích MAP bằng phương pháp hòa tách tại Viện Khoa học và Công
Nghệ Môi trường Trường Đại học Bách Khoa Hà nội cho thấy thành phần trong MAP ngoài
3- còn có thành phần kim loại khác. Tuy nhiên các thành phần kim loại
Mg2+ NH4
này đều không vượt quá tiêu chuẩn cho phép để sử dụng làm phân bón.
3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2)
3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác
- Đối tượng nghiên cứu là nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài Thành phố Thái Nguyên sau
tách MAP. Nước có đặc trưng (Bảng 3.10) được đưa vào xử lý yếm khí thu biogas.
Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP
TT Đơn vị Tên chỉ
tiêu Trước tách
MAP (*) Sau tách
MAP Hiệu suất
XL (%)
1
2 -
mg/l 6,2 - 7,3
2.465÷5.090 8,5
1.796÷3.698 -
27,10÷28,75 pH
BOD5
3 COD mg/l 5.745÷9.758 4.268÷7.284 25,71÷26,21
4 mg/l 353,0÷577,5 139,4-276,0 52,20 - 60,50
5 Tổng N
+ mg/l 214,4 - 402,1 103,3- 192,6 51,82 – 52,10 NH4
6 mg/l 40,7-52,3 35,2÷ 47,3 9,56 - 13,51
(*) Mẫu khảo sát từ tháng 9/2013 đến 1/2014
16
7 Tổng P
3- mg/l 35,7-41,2 28,4-39,94 3,10 - 20,44 PO4
3.2.1.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào
Nghiên cứu được tiến hành với COD dòng vào 7.200; 6.080; 5.135 và 4.268 mg/l,
thời gian lưu 48 giờ. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.11) cho thấy: khi COD dòng vào tăng từ
4.268 lên 7.200mg/l hiệu suất xử lý tăng từ 83,25% lên 85,58%. Tải trọng COD tăng từ 2,09
lên 3,60 g/l.ngày. Hệ số tạo biogas tăng từ 0,302÷0,324 lít/gamCODCH.
Như vậy, ở các nồng độ đã khảo sát được đều cho hiệu quả xử lý cao (Bảng 3.11).
Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý
CODvào
(mg/l) 4.268 5.135 6.080 7.200 STT
1 715 826 898 1.050 Thông số
CODra (mg/l)
2 7,76 7,74 7,8 7,78
3 32,4 35,7 40,1 32,8
4 83,25 83,91 85,25 85,58
5 2,09 2,53 3,00 3,60
6 0,302 0,308 0,312 0,324 pHra
Axit bay hơi
(VFA ra)
Y.COD (%)
Tải trọng COD
(g/l.d)
Hệ số tạo biogas
(l/gCODCH)
3.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào cao nhất là 7.200mg/l. Thời gian
được khảo sát ở 36, 42, 48 và 54 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu 48 giờ,
hiệu quả xử lý COD cao (85,84%); COD dòng ra là 1.022mg/l, pH dòng ra 7,76, tải trọng
COD đạt 3,10 gCOD/lít.ngày, hiệu quả tạo biogas đạt 0,32 lít/g CODCH.
Khi thời gian lưu lên đến 54 giờ (tăng thêm 6 giờ) hiệu quả xử lý COD tăng không đáng kể
(1,04%). Vậy thời gian lưu ở 48 giờ là tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí (Bảng 3.12).
Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý
T = 36 (giờ)
T = 42 (giờ)
T = 48 (giờ)
T = 54 (giờ)
Thông số
Dòng
vào
Y(%)
Y(%)
Y(%)
Y(%)
pH
8,5
Dòng ra
(mg/l)
6,65
-
Dòng ra
(mg/l)
7,15
-
Dòng ra
(mg/l)
7,76
-
Dòng ra
(mg/l)
7,82
-
3.820
1.044
72,67
666
82,56
461
87,93
402
89,48
BOD5 (mg/l)
COD (mg/l)
7.216
2180
69,79
1.453
79,86
1.022
85,84
947
86,88
TN (mg/l)
239,7
167,3
30,20
147
38,67
147,4
38,51
148,7
37,96
TP (mg/l)
45,2
35,7
21,02
35,4
21,68
31,79
29,67
32,4
28,32
-
2,52
3,10
3,13
2,88
-
0,204
0,320
0,326
0,252
TK (g/l/d)
Y biogas
(l/gCODCH)
17
3.2.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng
Các nguyên tố vi lượng được bổ sung dưới dạng muối sunphát hoặc clorua. Lượng vi
lượng cần thiết cho vi khuẩn metan hoá ở các nồng độ sau:
[Co2+] = 0,63 (µg/gCOD)
[Ni2+] = 0,65 (µg/gCOD)
[Mo2+] = 0,63 (µg/gCOD)
[Cu2+] = 0,0038 (mg/gCOD)
[Se2+] = 0,04 (mg/gCOD)
[Fe2+] = 0,02 (mg/gCOD)
[Mn2+] = 0,05 (mg/gCOD)
Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý
Có bổ sung vi lượng Thông số dòng
vào Dòng ra Dòng ra
8,5
3.465
7.184
236,3
46,2 Không bổ sung vi lượng
Hiệu quả
xử lý (%)
-
87,88
85,57
37,24
29,44 7,52
420
1.037
148,3
32,6 7,76
235
807
128,4
29,1 Hiệu quả
xử lý (%)
-
93,22
88,77
45,66
37,01
- 0,304 0,345 pH
BOD5 (mg/l)
COD(mg/l)
TN (mg/l)
TP (mg/l)
Ybiogas
(l/gCODCH)
Các nguyên tố vi lượng với nồng độ thích hợp giúp tăng đáng kể hoạt lực khí hóa của
vi khuẩn metan, ổn định giá trị pH dòng ra, nâng cao hiệu quả xử lý COD và BOD5.
3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc thiếu khí
3.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của COD dòng vào
Nước rác sau xử lý yếm khí được đưa vào lọc thiếu khí có COD từ 715 ÷ 1.050mg/l
(Bảng 3.14; Hình 3.14).
Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí
QCVN 25- STT Thông số Đơn vị Kết quả
1 pH - 7,60 ÷ 7,75 2009/BTNMT
(cột B)
5,5 ÷ 9
2 mg/l 308 ÷ 472 100
3 BOD5
COD mg/l 715 ÷ 1.050 400
4 TN mg/l 136,3 ÷ 150,4 60
5 TP mg/l 24,7 ÷ 33,44 -
Thời gian lưu 24 giờ, thể tích đệm 30%. Với COD biến động từ 700-1000mg/l có thể xử
lý được bằng bể lọc thiếu khí với thời gian lưu 24 giờ.
18
3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu
Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí
Để khẳng định một lần nữa kết quả nghiên cứu trên, nước rác sau xử lý yếm khí có
COD ~ 1000mg/l được đưa vào nghiên cứu với thời gian lưu 12, 24 và 36 giờ, thể tích đệm
30% . Ở thời gian lọc 12 giờ, hiệu quả xử lý COD chỉ đạt 42,22%. Khi tăng thời gian lên 24
giờ hiệu quả xử lý COD, BOD5, TN, TP tăng đáng kể (YCOD đạt 61,36%, YTN đạt 52,26%).
Tuy nhiên ở thời gian lưu 36 giờ hiệu quả xử lý tăng không đáng kể (3,06%) . Vì vậy thời
gian lưu được lựa chọn là 24 giờ.
3.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích đệm
- Vật liệu đệm sử dụng trong nghiên cứu là xỉ than. Thí nghiệm được tiến hành với
COD dòng vào ~ 900mg/l thời gian lưu 24 giờ
- Thể tích đệm nghiên cứu ở: 20%; 30%; và 40%.
Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí
COD (mg/l) VĐệm(%) YCOD (%) TKCOD
(gCOD/lít) TN (mg/l)
Dòng vào Dòng ra
20 Dòng vào
995 Dòng ra
456 54,17 144,1 72,3 YTN
(%)
49,83 0,593
30 1012 358 64,62 148,1 61,7 58,34 0,654
40 998 334 66,53 145,7 56,8 `61,02 0,598
Kết quả nghiên cứu cho thấy: Thể tích đệm 30% là phù hợp cho quá trình lọc thiếu khí.
3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây
3.2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với dòng vào có CODTB = 501 mg/l, BOD5 = 181mg/l,
TN = 67,4 mg/l, TP = 13,2 mg/l. Thời gian lưu được nghiên cứu ở 48, 54, 60, 72 và 96 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi thời gian lưu tăng, hiệu quả xử lý tăng. Thời gian
lưu của bãi lọc trong nghiên cứu này phù hợp với nghiên cứu của Dennis Konnerupa. Mặc dù
19
thời gian lưu ở 54 giờ hiệu quả xử lý chỉ đạt 75,86% nhưng dòng ra đã đạt quy chuẩn thải
(QCVN 25-2009/BTNMT cột B2). Vậy thời gian lưu của bãi lọc trồng cây chỉ cần là 54 giờ.
Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
T = 42(giờ) T = 54 (giờ) T = 60 (giờ) T = 72 (giờ) T = 96 (giờ)
Thông
số (mg/l) Dòng
vào
3.2.3.2 Ảnh hưởng của COD dòng vào
COD
BOD5
TN
TP 501
181
67,4
13,2 dòng
ra
382
62,4
37,2
6,2 HQ
XL (%)
23,75
65,52
44,81
53,03 dòng
ra
366
43,7
21,5
3,7 HQ
XL (%)
26,95
75,86
68,10
71,97 dòng
ra
348
32,2
19,7
2,6 HQ
XL (%)
30,54
82,21
70,77
80,30 dòng
ra
322
24,8
17,7
2,3 HQ
XL (%)
35,73
86,30
73,74
82,58 dòng
ra
304
22,1
15,2
2,0 HQ
XL (%)
39,32
87,79
77,45
84,85
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào ở: 386 mg/l; 436mg/l và 506 mg/l. Các
thí nghiệm được tiến hành lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình. Thời gian lưu 54 giờ.
3.2.3.3 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào
Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
Thí nghiệm được tiến hành với COD dòng vào từ 356527mg/l, TN dòng vào được
khảo sát ở: 55,6; 60,6 và 69,3 mg/l. Thời gian lưu 54 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý nitơ tăng khi TN dòng vào tăng, hiệu quả đạt
+ tăng khi nồng độ
+ = 46,1mg/l, hiệu quả xử lý đạt 83,51%.
cao nhất là 67,39 % ở TN vào = 69,3 mg/l. Cũng vậy, hiệu quả xử lý NH4
NH4
+ dòng vào tăng: cao nhất ở hàm lượng NH4
Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây
Chỉ tiêu Dòng vào Dòng ra Hiệu quả
XL (%) Tải lượng
(g/m2.ng)
COD (mg/l) 506 361,2 28,62 16,09
185 42,7 76,92 15,81 BOD5 (mg/l)
TN (mg/l) 69,3 22,6 67,39 5,19
20
TP (mg/l) 12,7 4,7 62,99 0,089
3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách
MAP- sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây)
Nghiên cứu này nhằm khẳng định lại hiệu quả xử lý của các công nghệ trong xử lý
nước rác cũng như sự tác động của các yếu tố trong từng thiết bị của hệ thống.
3.3.1 Đặc trưng nước thải dòng vào
Nước rác tươi có thành phần ô nhiễm khá cao, nước rác được đưa nghiên cứu lấy giá
trị trung bình của bốn lần lấy mẫu. COD = 6.821mg/l; BOD5 = 3.294 mg/l; TN =
427,5mg/l; TP = 73,7mg/l; SS = 521mg/l; độ màu = 4.359 Pt/Co
3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp
Nước rác được tiến hành xử lý liên tục qua 3 giai đoạn: tách MAP; xử lý liên hợp yếm
khí - thiếu khí và bãi lọc trồng cây.
Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống
Sau tách MAP Chỉ tiêu Dòng
vào QCVN
(*)
pH 7,3 Dòng
ra
8,5 Y1
(%)
- Sau yếm khí
thiếu khí
Y2
(%)
- Dòng
ra
7,66 Sau bãi lọc
trồng cây
Y3
(%)
- Dòng
ra
7,67 HQXL
của hệ
thống
(%)
- 5,5-9,0
3.294 2.355 28,51 161 66,61 42,6 3,59 98,71 50 BOD5 (mg/l)
COD (mg/l) 6.821 5.037 26,15 457 67,15 341 1,70 95,00 400
Tổng N (mg/l) 427,5 213,8 49,99 71,2 33,36 28,5 9,99 93,33 60
73,7 35,02 52,48 Tổng P (mg/l) 11,4 32,05 3,21 11,11 95,64 6
521 332 36,28 38,4 56,35 22,8 2,99 95,62 100
(*) QCVN 25-2009/BTNMT (cột B2)
150 4.359 4.108 5,76 1.157 67,70 138 22,23 95,69 SS (mg/l)
Độ màu
(Pt/Co)
Bảng 3.22 cho thấy hiệu quả xử lý của hệ thống đạt 98,71% với BOD5; 95% với COD;
93,33% với TN; 95,64 % với TP; 95,62% với SS và 97,52% độ màu.
Với công nghệ xử lý được đề xuất, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải mức B2 QCVN
25/2009 - BTNMT. Lượng MAP thu được là 2,34g/lít. Hiệu quả tạo biogas là 0,31 lit
biogas/gCOD chuyển hóa. Tải trọng của bãi lọc trồng cây đạt: 13,1g BOD5; 12,9g COD;
4,7g TN; 0,9g TP và 1,7g SS trên 1m2 diện tích.
Kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nước rác: MAP - Sinh học (yếm,thiếu khí, bãi lọc
trồng cây) có hiệu quả khá cao không những về mặt môi trường mà còn có giá trị về mặt
thẩm mỹ.
21
3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết
kiệm năng lượng
3.4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (Hình 3.17)
Nước rác
Bể điều hòa
PAC
Đông keo tụ
Lắng 1 NaOH, MgCl2;
KH2PO4
Kết tinh MAP
Ly tâm tách MAP
MAP
Bùn
Bể chứa trung gian
Bể tích hợp
yếm – thiếu khí
Bãi lọc trồng cây
Xử lý bùn Nước rác sau xử lý
Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng
3.4.2. So sánh với một số công nghệ hiện hành
a, Một số công nghệ xử lý nước rác đang được áp dụng
- Công nghệ oxy hóa - sinh học 1:
Nước rác → đông keo tụ → oxy hóa (peroxon) → yếm khí → thiếu khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ Stripping – sinh học 2:
Nước rác → đông keo tụ → tháp striiping (đuổi amoniac) → yếm khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ tách MAP – sinh học 3:
Nước rác → đông keo tụ → MAP → yếm khí → thiếu khí → bãi lọc trồng cây →
nguồn tiếp nhận
22
b, So sánh chi phí vận hành
STT
Công nghệ
Peroxon -sinh học 1
Stripping -sinh học 2
Bảng 3.29 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3)
Chi phí
nhân công
7.019
8.365
6.154
Chi phí
điện năng
33.451
29.717
2.137
Chi phí
hóa chất
38.086
10.843
31.338
1
2
3 MAP - sinh học 3
Tổng chi phí
vận hành
78.557
48.925
31.629
MAP thu được ~ 400kg MAP/ngày
2kg MAP/1m3 *4.000 đ = 8000 đ
Vậy chi phí xử lý nước rác của công nghệ MAP là 39.629 – 8.000 = 31.629 đ/m3
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án đã nghiên cứu và đưa ra được công nghệ xử lý nước rác tích hợp các phương
pháp hóa lý, hóa học và sinh học. Công nghệ xử lý thân thiện với môi trường và tiết kiệm
năng lượng (1,54kWh/m3) và có giá trị thẩm mỹ cao. Mặt khác công nghệ còn tận thu được
nguồn nitơ phốt pho trong nước rác làm phân bón cho cây trồng.
Công nghệ này được tích hợp 3 công đoạn:
- Tách nitơ phốt pho thu hồi MAP trong nước rích rác đã loại bỏ được ~ 51-52%
+ ở pH = 9,0. Kết tinh MAP thu được có kích thước có thể đạt 502m. Lượng MAP thu
NH4
được 1,43-2,34 g/lít nước rác. Với kích thước này có thể tách MAP bằng lắng đơn giản
(nhờ lực trọng trường).
- Nước rác sau tận thu nitơ, phốt pho bằng kết tinh MAP được xử lý yếm khí, hiệu quả
xử lý đạt 88,7% COD và hiệu quả thu biogas là 0,345 lít/gCODCH.
- Xử lý thiếu khí sử dụng vật liệu đệm là xỉ than hiệu quả xử lý đạt 46-55% COD, 50-
60%TN; 54-65%TP.
- Cuối cùng nước rác được xử lý tại bãi lọc trồng cây, thực vật được sử dụng là cây
riềng hoa (Canna Lily) trồng trên giá thể. Với thời gian lưu 54 giờ hiệu quả xử lý của bãi lọc
là 76% BOD5; 50% với TN; 63% với TP, nước thải dòng ra đạt quy chuẩn thải QCVN 25-
2011/BTNMT. Năng lực tải của bãi lọc đạt 16,09gCOD; 3,86gTN; 0,89gTP/m2.ngày.
- Công nghệ kết hợp tách MAP và xử lý sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây).
Cho hiệu quả kinh tế cao, ước tính nhu cầu điện năng 1,54kW/h điện/m3 nước rác, chỉ bằng
7,2% so với công nghệ stripping và 6,4% so với công nghệ oxi hóa nâng cao.
2. Kiến nghị
- Hoàn thiện công nghệ và thiết bị tách MAP ở quy mô pilot làm sơ sở để triển khai
quy mô lớn hơn.
- Liên kết với một đơn vị chức năng để nghiên cứu sử dụng hiệu quả MAP trong trồng trọt.
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án, tiếp tục nghiên cứu tách MAP ở các loại
nước thải giầu nitơ, phốt pho khác (nước thải chế biên thuỷ sản, chăn nuôi, chế biến mủ cao
su…).
- Nghiên cứu sâu hơn về giá trị kinh tế mà Canna lily đem lại.
24
trên cũng cho thấy ảnh hưởng của pH (x2) là lớn nhất, tiếp đến là nồng độ amoni ban đầu và tốc độ khuấy trộn. Thời gian phản ứng ảnh hưởng ít nhất đến quá trình tách amoni tạo MAP.
3.1.1.6 Ảnh hưởng của pH, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy đến kích thước tinh thể
MAP trong môi trường giả định
Kích thước tinh thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thu hồi MAP. Khi kích thước
tinh thể quá nhỏ (<100m) chúng rất dễ bị cuốn theo dòng nước nên khó thu hồi.
- Ảnh hưởng của pH tới kích thước tinh thể MAP
Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước tinh thể tăng khi pH tăng. Khi pH > 9,5
lượng magie phốt phát được hình thành ảnh hưởng đáng kể tới quá trình tạo MAP, kích
thước tinh thể giảm (Hình 3.7).
- Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP
Thời gian, phút
3- Mg2+
+
Chiều dài tinh thể, m
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP % loại bỏ PO4
NH4
87÷120
39,24
62,80
76,43
1
300÷350
50,22
76,50
85,19
30
1.600÷2.130
60,47
92,47
91,34
60
2.500÷3.200
64,88
93,7
95,28
120
4.000÷4.600
70,29
95,12
97,12
180
(b)
(a)
(d)
(c)
Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút tương tác 1:1,9:1
Kích thước tinh thể tăng lên rõ rệt theo thời gian phản ứng (Bảng 3.3): chiều dài tinh
thể đạt tối đa (4.600m) sau 180 phút (Hình 3.8d). Sau thời gian trên, kích thước tinh thể 11
hầu như không thay đổi. Sau 60 phút kích thước tinh thể đạt 1.600÷ 2.130 m là có thể tách
được một cách dễ dàng. Vậy thời gian lưu tối ưu được lựa chọn là 60 phút.
- Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến kích thước tinh thể
Thí nghiệm được tiến hành với tỷ lệ 1:1,9:1 ở pH =9 với vận tốc khuấy trộn 0; 50;
100 vòng/phút. Ở 100 vòng/phút sau 3 giờ có hiện tượng tinh thể bị gẫy vụn do va đập,
kích thước tinh thể < 211m (Hình 3.9.a). Vận tốc 50 vòng/phút là tối ưu cho quá trình tạo
tinh thể.
(b)
(a)
- Thiết lập phương trình hồi quy về mối quan hệ của pH, vận tốc khuấy và thời gian phản ứng đến kích thước tinh thể MAP.
2 + ξ
Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 vòng/phút (D 320m), (b)50 vòng/phút (D 4600m)
Y = -1730 + 387,5x2 +222,6 x2
2 + 10,07x3 + 47,49x4 - 48,53x4
Với 7,0
Phương trình trên cho thấy kích thước tinh thể phụ thuộc vào cả 3 yếu tố x2, x3 và x4.
Khi thời gian tăng kích thước tinh thể tăng, tuy nhiên kích thước tăng nhiều ở thời gian từ
30 đến 60 phút. Kích thước tại thời điểm 60 phút phản ứng có thể thu hồi được.
Khi vận tốc khuấy tăng làm gãy các tinh thể dẫn đến kích thước tinh thể nhỏ khó thu hồi
vì vậy vận tốc khuấy là 50 vòng/phút là phù hợp để kích thước tinh thể ổn định và dễ thu hồi.
3.1.1.7. Kết quả phân tích MAP trong môi trường giả định
Để xác định, đánh giá kết tinh MAP thu được, mẫu MAP được quan sát bằng trắc vi thị
kính, chụp SEM, và Chụp phổ XRD.
12
3- =1:1,9:1;
Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4
+: PO4
thời gian phản ứng 60 phút
3-
+:PO4
Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
=1:1,9:1;
pH = 9, thời gian phản ứng 60 phút, vận tốc 50 vòng/phút
Kết quả chụp mẫu cho thấy mẫu đo được là struvite. Cường độ lớn nhất là kết quả mà
tại góc đo đó phần lớn các tinh thể được xác định là struvite. Tinh thể MAP ở môi trường
giả định có kích thước lớn và đặc biệt khi chụp MAP các tinh thể có sự đồng đều về kích
thước và không có kết tủa Magie phốt phát.
3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài (Bảng 2.1).
+ ban đầu
3.1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
3.1.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng NH4
Hàm lượng NH4
+ trong nước rác có cũng có biến động nhất định. Kết quả khảo sát nước rác
+ dao động trong khoảng
+ tăng.
bãi chôn lấp Đá Mài trong nhiều tháng cho thấy: hàm lượng NH4
214,4÷402,1mg/l. Hiệu quả tách MAP và kích thước tinh thể tăng khi hàm lượng NH4
13
+ đến hiệu quả tách N,P
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4
+ (mg/l)
NH4
pH=7
16,83
18,40
20,80
21.33
Hiệu suất xử lý (%)
pH=8,5
50,96
52,60
52,80
53,10
pH=8
46,15
48,96
49,07
49,55
pH=9
53,37
54,86
54,67
54,88
pH=11
29,81
32,64
33,87
35,45
35,1-70,4
138,4-284,3 305,7-355,2 318,6-413,6 49,3-105,4
214,00
288,00
375,00
402,00
Kích thước tinh
thể (µm)
3.1.2.3 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Bổ sung vào bình phản ứng 100mg tinh thể có kích thước 30-50µm. Kết quả nghiên
cứu (Bảng 3.7).
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Hiệu quả loại bỏ (%)
Thông số
Bình phản ứng
không có mầm
Bình phản ứng
có mầm
+ (mg/l)
52,34 - 52,71
52,47 - 53,13
NH4
Kích thước tinh thể (µm)
322-418
411-575
Trong quá trinh kết tinh MAP, trước tiên mầm tinh thể (các tinh thể có kích thước nhỏ)
được hình thành, tiếp theo nhờ quá trình khuấy trộn phản ứng xảy ra, tinh thể lớn dần. Kết
quả nghiên cứu cho thấy: kích thước tinh thể MAP thu được lớn hơn rõ rệt ở mẫu có bổ
xung mầm (Bảng 3.7).
3.1.2.4 Tách nitơ trong nước rác bằng kết tinh MAP
Các điều kiện tối ưu đã được nghiên cứu ở mục trên. Nghiên cứu tách MAP trong
3- là 1:1,9:1.
nước rác được thực hiện ở pH =9,0; thời gian phản ứng 60 phút; vận tốc khuấy 50
vòng/phút, bổ sung Mg2+; PO4
3- đạt tỷ lệ Mg2+: NH4
+:PO4
+ tạo tinh thể MAP đạt
Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.8) cho thấy khả năng loại bỏ NH4
được khoảng 52,24% - 53,05%. Lượng MAP thô thu được cao nhất là 2,34 mg/l nước rác.
Bảng 3.8 Tách nitơ tạo MAP trong nước rác
pH=9,0
pH
Thông số
+ loại bỏ (%)
NH4
3- loại bỏ (%)
PO4
Mg2+ được loại bỏ (%)
COD được loại bỏ (%)
Kích thước tinh thể (µm)
52,24 ÷ 53,05
95,21÷ 96,01
95,46 ÷97,19
25,70 ÷ 26,21
322÷455,8
14
3.1.2.5 Kết quả phân tích MAP trong nước rác
- Đo kích thước bằng trắc vi thị kính, SEM và chụp phổ XRD
3- =1:1,9:1;
+:PO4
thời gian phản ứng 60 phút vận tốc 50 vòng/phút
Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác
Ảnh chụp SEM tinh thể MAP thu được từ nước rác và quan sát qua trắc vi thị kính cho
thấy các tinh thể không đồng đều. Khi chụp phổ XRD ngoài tinh thể MAP còn có các thành
phần khác như magie phốt phát (cường độ đo được mầu xanh, Hình 3.12).
- Hòa tách xác định thành phần MAP
Kết quả phân tích MAP trong nước rác được trình bày trong Bảng 3.9
15
Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được
TT
Thông số
Đơn vị
Kết quả
TCVN (*)
%
1
10,75
-
NH4
%
2
+ - N
3- - P
46,00
-
PO4
3
Mg
%
26,7
-
4
SS
%
8,3
-
5
Fe
mg/kg
207,3
10.000
6
Ca
mg/kg
62,38
-
7
Zn
mg/kg
28,06
15.000
mg/kg
8
Cd
0,11
< 25
mg/kg
9
Pb
2,58
300
mg/kg
10
Mn
119,47
15.000
mg/kg
11
Ni
1,94
-
mg/kg
12
Cu
12,80
15.000
mg/kg
13
As
0,044
<3
(*) Thông tư 36/2010/TT-BNNVPTNT về việc xản xuất và kinh doanh phân bón.
+ và PO4
Kết quả phân tích MAP bằng phương pháp hòa tách tại Viện Khoa học và Công
Nghệ Môi trường Trường Đại học Bách Khoa Hà nội cho thấy thành phần trong MAP ngoài
3- còn có thành phần kim loại khác. Tuy nhiên các thành phần kim loại
Mg2+ NH4
này đều không vượt quá tiêu chuẩn cho phép để sử dụng làm phân bón.
3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2)
3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác
- Đối tượng nghiên cứu là nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài Thành phố Thái Nguyên sau
tách MAP. Nước có đặc trưng (Bảng 3.10) được đưa vào xử lý yếm khí thu biogas.
Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP
TT Đơn vị Tên chỉ
tiêu Trước tách
MAP (*) Sau tách
MAP Hiệu suất
XL (%)
1
2 -
mg/l 6,2 - 7,3
2.465÷5.090 8,5
1.796÷3.698 -
27,10÷28,75 pH
BOD5
3 COD mg/l 5.745÷9.758 4.268÷7.284 25,71÷26,21
4 mg/l 353,0÷577,5 139,4-276,0 52,20 - 60,50
5 Tổng N
+ mg/l 214,4 - 402,1 103,3- 192,6 51,82 – 52,10 NH4
6 mg/l 40,7-52,3 35,2÷ 47,3 9,56 - 13,51
(*) Mẫu khảo sát từ tháng 9/2013 đến 1/2014
16
7 Tổng P
3- mg/l 35,7-41,2 28,4-39,94 3,10 - 20,44 PO4
3.2.1.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào
Nghiên cứu được tiến hành với COD dòng vào 7.200; 6.080; 5.135 và 4.268 mg/l,
thời gian lưu 48 giờ. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.11) cho thấy: khi COD dòng vào tăng từ
4.268 lên 7.200mg/l hiệu suất xử lý tăng từ 83,25% lên 85,58%. Tải trọng COD tăng từ 2,09
lên 3,60 g/l.ngày. Hệ số tạo biogas tăng từ 0,302÷0,324 lít/gamCODCH.
Như vậy, ở các nồng độ đã khảo sát được đều cho hiệu quả xử lý cao (Bảng 3.11).
Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý
CODvào
(mg/l) 4.268 5.135 6.080 7.200 STT
1 715 826 898 1.050 Thông số
CODra (mg/l)
2 7,76 7,74 7,8 7,78
3 32,4 35,7 40,1 32,8
4 83,25 83,91 85,25 85,58
5 2,09 2,53 3,00 3,60
6 0,302 0,308 0,312 0,324 pHra
Axit bay hơi
(VFA ra)
Y.COD (%)
Tải trọng COD
(g/l.d)
Hệ số tạo biogas
(l/gCODCH)
3.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào cao nhất là 7.200mg/l. Thời gian
được khảo sát ở 36, 42, 48 và 54 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu 48 giờ,
hiệu quả xử lý COD cao (85,84%); COD dòng ra là 1.022mg/l, pH dòng ra 7,76, tải trọng
COD đạt 3,10 gCOD/lít.ngày, hiệu quả tạo biogas đạt 0,32 lít/g CODCH.
Khi thời gian lưu lên đến 54 giờ (tăng thêm 6 giờ) hiệu quả xử lý COD tăng không đáng kể
(1,04%). Vậy thời gian lưu ở 48 giờ là tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí (Bảng 3.12).
Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý
T = 36 (giờ)
T = 42 (giờ)
T = 48 (giờ)
T = 54 (giờ)
Thông số
Dòng
vào
Y(%)
Y(%)
Y(%)
Y(%)
pH
8,5
Dòng ra
(mg/l)
6,65
-
Dòng ra
(mg/l)
7,15
-
Dòng ra
(mg/l)
7,76
-
Dòng ra
(mg/l)
7,82
-
3.820
1.044
72,67
666
82,56
461
87,93
402
89,48
BOD5 (mg/l)
COD (mg/l)
7.216
2180
69,79
1.453
79,86
1.022
85,84
947
86,88
TN (mg/l)
239,7
167,3
30,20
147
38,67
147,4
38,51
148,7
37,96
TP (mg/l)
45,2
35,7
21,02
35,4
21,68
31,79
29,67
32,4
28,32
-
2,52
3,10
3,13
2,88
-
0,204
0,320
0,326
0,252
TK (g/l/d)
Y biogas
(l/gCODCH)
17
3.2.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng
Các nguyên tố vi lượng được bổ sung dưới dạng muối sunphát hoặc clorua. Lượng vi
lượng cần thiết cho vi khuẩn metan hoá ở các nồng độ sau:
[Co2+] = 0,63 (µg/gCOD)
[Ni2+] = 0,65 (µg/gCOD)
[Mo2+] = 0,63 (µg/gCOD)
[Cu2+] = 0,0038 (mg/gCOD)
[Se2+] = 0,04 (mg/gCOD)
[Fe2+] = 0,02 (mg/gCOD)
[Mn2+] = 0,05 (mg/gCOD)
Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý
Có bổ sung vi lượng Thông số dòng
vào Dòng ra Dòng ra
8,5
3.465
7.184
236,3
46,2 Không bổ sung vi lượng
Hiệu quả
xử lý (%)
-
87,88
85,57
37,24
29,44 7,52
420
1.037
148,3
32,6 7,76
235
807
128,4
29,1 Hiệu quả
xử lý (%)
-
93,22
88,77
45,66
37,01
- 0,304 0,345 pH
BOD5 (mg/l)
COD(mg/l)
TN (mg/l)
TP (mg/l)
Ybiogas
(l/gCODCH)
Các nguyên tố vi lượng với nồng độ thích hợp giúp tăng đáng kể hoạt lực khí hóa của
vi khuẩn metan, ổn định giá trị pH dòng ra, nâng cao hiệu quả xử lý COD và BOD5.
3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc thiếu khí
3.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của COD dòng vào
Nước rác sau xử lý yếm khí được đưa vào lọc thiếu khí có COD từ 715 ÷ 1.050mg/l
(Bảng 3.14; Hình 3.14).
Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí
QCVN 25- STT Thông số Đơn vị Kết quả
1 pH - 7,60 ÷ 7,75 2009/BTNMT
(cột B)
5,5 ÷ 9
2 mg/l 308 ÷ 472 100
3 BOD5
COD mg/l 715 ÷ 1.050 400
4 TN mg/l 136,3 ÷ 150,4 60
5 TP mg/l 24,7 ÷ 33,44 -
Thời gian lưu 24 giờ, thể tích đệm 30%. Với COD biến động từ 700-1000mg/l có thể xử
lý được bằng bể lọc thiếu khí với thời gian lưu 24 giờ.
18
3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu
Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí
Để khẳng định một lần nữa kết quả nghiên cứu trên, nước rác sau xử lý yếm khí có
COD ~ 1000mg/l được đưa vào nghiên cứu với thời gian lưu 12, 24 và 36 giờ, thể tích đệm
30% . Ở thời gian lọc 12 giờ, hiệu quả xử lý COD chỉ đạt 42,22%. Khi tăng thời gian lên 24
giờ hiệu quả xử lý COD, BOD5, TN, TP tăng đáng kể (YCOD đạt 61,36%, YTN đạt 52,26%).
Tuy nhiên ở thời gian lưu 36 giờ hiệu quả xử lý tăng không đáng kể (3,06%) . Vì vậy thời
gian lưu được lựa chọn là 24 giờ.
3.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích đệm
- Vật liệu đệm sử dụng trong nghiên cứu là xỉ than. Thí nghiệm được tiến hành với
COD dòng vào ~ 900mg/l thời gian lưu 24 giờ
- Thể tích đệm nghiên cứu ở: 20%; 30%; và 40%.
Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí
COD (mg/l) VĐệm(%) YCOD (%) TKCOD
(gCOD/lít) TN (mg/l)
Dòng vào Dòng ra
20 Dòng vào
995 Dòng ra
456 54,17 144,1 72,3 YTN
(%)
49,83 0,593
30 1012 358 64,62 148,1 61,7 58,34 0,654
40 998 334 66,53 145,7 56,8 `61,02 0,598
Kết quả nghiên cứu cho thấy: Thể tích đệm 30% là phù hợp cho quá trình lọc thiếu khí.
3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây
3.2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với dòng vào có CODTB = 501 mg/l, BOD5 = 181mg/l,
TN = 67,4 mg/l, TP = 13,2 mg/l. Thời gian lưu được nghiên cứu ở 48, 54, 60, 72 và 96 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi thời gian lưu tăng, hiệu quả xử lý tăng. Thời gian
lưu của bãi lọc trong nghiên cứu này phù hợp với nghiên cứu của Dennis Konnerupa. Mặc dù
19
thời gian lưu ở 54 giờ hiệu quả xử lý chỉ đạt 75,86% nhưng dòng ra đã đạt quy chuẩn thải
(QCVN 25-2009/BTNMT cột B2). Vậy thời gian lưu của bãi lọc trồng cây chỉ cần là 54 giờ.
Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
T = 42(giờ) T = 54 (giờ) T = 60 (giờ) T = 72 (giờ) T = 96 (giờ)
Thông
số (mg/l) Dòng
vào
3.2.3.2 Ảnh hưởng của COD dòng vào
COD
BOD5
TN
TP 501
181
67,4
13,2 dòng
ra
382
62,4
37,2
6,2 HQ
XL (%)
23,75
65,52
44,81
53,03 dòng
ra
366
43,7
21,5
3,7 HQ
XL (%)
26,95
75,86
68,10
71,97 dòng
ra
348
32,2
19,7
2,6 HQ
XL (%)
30,54
82,21
70,77
80,30 dòng
ra
322
24,8
17,7
2,3 HQ
XL (%)
35,73
86,30
73,74
82,58 dòng
ra
304
22,1
15,2
2,0 HQ
XL (%)
39,32
87,79
77,45
84,85
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào ở: 386 mg/l; 436mg/l và 506 mg/l. Các
thí nghiệm được tiến hành lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình. Thời gian lưu 54 giờ.
3.2.3.3 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào
Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
Thí nghiệm được tiến hành với COD dòng vào từ 356527mg/l, TN dòng vào được
khảo sát ở: 55,6; 60,6 và 69,3 mg/l. Thời gian lưu 54 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý nitơ tăng khi TN dòng vào tăng, hiệu quả đạt
+ tăng khi nồng độ
+ = 46,1mg/l, hiệu quả xử lý đạt 83,51%.
cao nhất là 67,39 % ở TN vào = 69,3 mg/l. Cũng vậy, hiệu quả xử lý NH4
NH4
+ dòng vào tăng: cao nhất ở hàm lượng NH4
Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây
Chỉ tiêu Dòng vào Dòng ra Hiệu quả
XL (%) Tải lượng
(g/m2.ng)
COD (mg/l) 506 361,2 28,62 16,09
185 42,7 76,92 15,81 BOD5 (mg/l)
TN (mg/l) 69,3 22,6 67,39 5,19
20
TP (mg/l) 12,7 4,7 62,99 0,089
3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách
MAP- sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây)
Nghiên cứu này nhằm khẳng định lại hiệu quả xử lý của các công nghệ trong xử lý
nước rác cũng như sự tác động của các yếu tố trong từng thiết bị của hệ thống.
3.3.1 Đặc trưng nước thải dòng vào
Nước rác tươi có thành phần ô nhiễm khá cao, nước rác được đưa nghiên cứu lấy giá
trị trung bình của bốn lần lấy mẫu. COD = 6.821mg/l; BOD5 = 3.294 mg/l; TN =
427,5mg/l; TP = 73,7mg/l; SS = 521mg/l; độ màu = 4.359 Pt/Co
3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp
Nước rác được tiến hành xử lý liên tục qua 3 giai đoạn: tách MAP; xử lý liên hợp yếm
khí - thiếu khí và bãi lọc trồng cây.
Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống
Sau tách MAP Chỉ tiêu Dòng
vào QCVN
(*)
pH 7,3 Dòng
ra
8,5 Y1
(%)
- Sau yếm khí
thiếu khí
Y2
(%)
- Dòng
ra
7,66 Sau bãi lọc
trồng cây
Y3
(%)
- Dòng
ra
7,67 HQXL
của hệ
thống
(%)
- 5,5-9,0
3.294 2.355 28,51 161 66,61 42,6 3,59 98,71 50 BOD5 (mg/l)
COD (mg/l) 6.821 5.037 26,15 457 67,15 341 1,70 95,00 400
Tổng N (mg/l) 427,5 213,8 49,99 71,2 33,36 28,5 9,99 93,33 60
73,7 35,02 52,48 Tổng P (mg/l) 11,4 32,05 3,21 11,11 95,64 6
521 332 36,28 38,4 56,35 22,8 2,99 95,62 100
(*) QCVN 25-2009/BTNMT (cột B2)
150 4.359 4.108 5,76 1.157 67,70 138 22,23 95,69 SS (mg/l)
Độ màu
(Pt/Co)
Bảng 3.22 cho thấy hiệu quả xử lý của hệ thống đạt 98,71% với BOD5; 95% với COD;
93,33% với TN; 95,64 % với TP; 95,62% với SS và 97,52% độ màu.
Với công nghệ xử lý được đề xuất, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải mức B2 QCVN
25/2009 - BTNMT. Lượng MAP thu được là 2,34g/lít. Hiệu quả tạo biogas là 0,31 lit
biogas/gCOD chuyển hóa. Tải trọng của bãi lọc trồng cây đạt: 13,1g BOD5; 12,9g COD;
4,7g TN; 0,9g TP và 1,7g SS trên 1m2 diện tích.
Kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nước rác: MAP - Sinh học (yếm,thiếu khí, bãi lọc
trồng cây) có hiệu quả khá cao không những về mặt môi trường mà còn có giá trị về mặt
thẩm mỹ.
21
3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết
kiệm năng lượng
3.4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (Hình 3.17)
Nước rác
Bể điều hòa
PAC
Đông keo tụ
Lắng 1 NaOH, MgCl2;
KH2PO4
Kết tinh MAP
Ly tâm tách MAP
MAP
Bùn
Bể chứa trung gian
Bể tích hợp
yếm – thiếu khí
Bãi lọc trồng cây
Xử lý bùn Nước rác sau xử lý
Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng
3.4.2. So sánh với một số công nghệ hiện hành
a, Một số công nghệ xử lý nước rác đang được áp dụng
- Công nghệ oxy hóa - sinh học 1:
Nước rác → đông keo tụ → oxy hóa (peroxon) → yếm khí → thiếu khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ Stripping – sinh học 2:
Nước rác → đông keo tụ → tháp striiping (đuổi amoniac) → yếm khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ tách MAP – sinh học 3:
Nước rác → đông keo tụ → MAP → yếm khí → thiếu khí → bãi lọc trồng cây →
nguồn tiếp nhận
22
b, So sánh chi phí vận hành
STT
Công nghệ
Peroxon -sinh học 1
Stripping -sinh học 2
Bảng 3.29 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3)
Chi phí
nhân công
7.019
8.365
6.154
Chi phí
điện năng
33.451
29.717
2.137
Chi phí
hóa chất
38.086
10.843
31.338
1
2
3 MAP - sinh học 3
Tổng chi phí
vận hành
78.557
48.925
31.629
MAP thu được ~ 400kg MAP/ngày
2kg MAP/1m3 *4.000 đ = 8000 đ
Vậy chi phí xử lý nước rác của công nghệ MAP là 39.629 – 8.000 = 31.629 đ/m3
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án đã nghiên cứu và đưa ra được công nghệ xử lý nước rác tích hợp các phương
pháp hóa lý, hóa học và sinh học. Công nghệ xử lý thân thiện với môi trường và tiết kiệm
năng lượng (1,54kWh/m3) và có giá trị thẩm mỹ cao. Mặt khác công nghệ còn tận thu được
nguồn nitơ phốt pho trong nước rác làm phân bón cho cây trồng.
Công nghệ này được tích hợp 3 công đoạn:
- Tách nitơ phốt pho thu hồi MAP trong nước rích rác đã loại bỏ được ~ 51-52%
+ ở pH = 9,0. Kết tinh MAP thu được có kích thước có thể đạt 502m. Lượng MAP thu
NH4
được 1,43-2,34 g/lít nước rác. Với kích thước này có thể tách MAP bằng lắng đơn giản
(nhờ lực trọng trường).
- Nước rác sau tận thu nitơ, phốt pho bằng kết tinh MAP được xử lý yếm khí, hiệu quả
xử lý đạt 88,7% COD và hiệu quả thu biogas là 0,345 lít/gCODCH.
- Xử lý thiếu khí sử dụng vật liệu đệm là xỉ than hiệu quả xử lý đạt 46-55% COD, 50-
60%TN; 54-65%TP.
- Cuối cùng nước rác được xử lý tại bãi lọc trồng cây, thực vật được sử dụng là cây
riềng hoa (Canna Lily) trồng trên giá thể. Với thời gian lưu 54 giờ hiệu quả xử lý của bãi lọc
là 76% BOD5; 50% với TN; 63% với TP, nước thải dòng ra đạt quy chuẩn thải QCVN 25-
2011/BTNMT. Năng lực tải của bãi lọc đạt 16,09gCOD; 3,86gTN; 0,89gTP/m2.ngày.
- Công nghệ kết hợp tách MAP và xử lý sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây).
Cho hiệu quả kinh tế cao, ước tính nhu cầu điện năng 1,54kW/h điện/m3 nước rác, chỉ bằng
7,2% so với công nghệ stripping và 6,4% so với công nghệ oxi hóa nâng cao.
2. Kiến nghị
- Hoàn thiện công nghệ và thiết bị tách MAP ở quy mô pilot làm sơ sở để triển khai
quy mô lớn hơn.
- Liên kết với một đơn vị chức năng để nghiên cứu sử dụng hiệu quả MAP trong trồng trọt.
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án, tiếp tục nghiên cứu tách MAP ở các loại
nước thải giầu nitơ, phốt pho khác (nước thải chế biên thuỷ sản, chăn nuôi, chế biến mủ cao
su…).
- Nghiên cứu sâu hơn về giá trị kinh tế mà Canna lily đem lại.
24
Phương trình trên cho thấy kích thước tinh thể phụ thuộc vào cả 3 yếu tố x2, x3 và x4. Khi thời gian tăng kích thước tinh thể tăng, tuy nhiên kích thước tăng nhiều ở thời gian từ
30 đến 60 phút. Kích thước tại thời điểm 60 phút phản ứng có thể thu hồi được.
Khi vận tốc khuấy tăng làm gãy các tinh thể dẫn đến kích thước tinh thể nhỏ khó thu hồi
vì vậy vận tốc khuấy là 50 vòng/phút là phù hợp để kích thước tinh thể ổn định và dễ thu hồi.
3.1.1.7. Kết quả phân tích MAP trong môi trường giả định
Để xác định, đánh giá kết tinh MAP thu được, mẫu MAP được quan sát bằng trắc vi thị
kính, chụp SEM, và Chụp phổ XRD.
12
3- =1:1,9:1;
Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4
+: PO4
thời gian phản ứng 60 phút
3-
+:PO4
Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
=1:1,9:1; pH = 9, thời gian phản ứng 60 phút, vận tốc 50 vòng/phút
Kết quả chụp mẫu cho thấy mẫu đo được là struvite. Cường độ lớn nhất là kết quả mà
tại góc đo đó phần lớn các tinh thể được xác định là struvite. Tinh thể MAP ở môi trường
giả định có kích thước lớn và đặc biệt khi chụp MAP các tinh thể có sự đồng đều về kích
thước và không có kết tủa Magie phốt phát.
3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài (Bảng 2.1).
+ ban đầu
3.1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 3.1.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng NH4
Hàm lượng NH4
+ trong nước rác có cũng có biến động nhất định. Kết quả khảo sát nước rác + dao động trong khoảng
+ tăng.
bãi chôn lấp Đá Mài trong nhiều tháng cho thấy: hàm lượng NH4 214,4÷402,1mg/l. Hiệu quả tách MAP và kích thước tinh thể tăng khi hàm lượng NH4
13
+ đến hiệu quả tách N,P
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4
+ (mg/l)
NH4
pH=7 16,83 18,40 20,80 21.33
Hiệu suất xử lý (%) pH=8,5 50,96 52,60 52,80 53,10
pH=8 46,15 48,96 49,07 49,55
pH=9 53,37 54,86 54,67 54,88
pH=11 29,81 32,64 33,87 35,45
35,1-70,4
138,4-284,3 305,7-355,2 318,6-413,6 49,3-105,4
214,00 288,00 375,00 402,00 Kích thước tinh thể (µm)
3.1.2.3 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Bổ sung vào bình phản ứng 100mg tinh thể có kích thước 30-50µm. Kết quả nghiên
cứu (Bảng 3.7).
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể
Hiệu quả loại bỏ (%)
Thông số
Bình phản ứng không có mầm
Bình phản ứng có mầm
+ (mg/l)
52,34 - 52,71
52,47 - 53,13
NH4
Kích thước tinh thể (µm)
322-418
411-575
Trong quá trinh kết tinh MAP, trước tiên mầm tinh thể (các tinh thể có kích thước nhỏ)
được hình thành, tiếp theo nhờ quá trình khuấy trộn phản ứng xảy ra, tinh thể lớn dần. Kết
quả nghiên cứu cho thấy: kích thước tinh thể MAP thu được lớn hơn rõ rệt ở mẫu có bổ xung mầm (Bảng 3.7).
3.1.2.4 Tách nitơ trong nước rác bằng kết tinh MAP
Các điều kiện tối ưu đã được nghiên cứu ở mục trên. Nghiên cứu tách MAP trong
3- là 1:1,9:1.
nước rác được thực hiện ở pH =9,0; thời gian phản ứng 60 phút; vận tốc khuấy 50 vòng/phút, bổ sung Mg2+; PO4
3- đạt tỷ lệ Mg2+: NH4
+:PO4
+ tạo tinh thể MAP đạt
Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.8) cho thấy khả năng loại bỏ NH4
được khoảng 52,24% - 53,05%. Lượng MAP thô thu được cao nhất là 2,34 mg/l nước rác.
Bảng 3.8 Tách nitơ tạo MAP trong nước rác
pH=9,0
pH Thông số + loại bỏ (%) NH4 3- loại bỏ (%) PO4 Mg2+ được loại bỏ (%) COD được loại bỏ (%) Kích thước tinh thể (µm)
52,24 ÷ 53,05 95,21÷ 96,01 95,46 ÷97,19 25,70 ÷ 26,21 322÷455,8
14
3.1.2.5 Kết quả phân tích MAP trong nước rác
- Đo kích thước bằng trắc vi thị kính, SEM và chụp phổ XRD
3- =1:1,9:1;
+:PO4 thời gian phản ứng 60 phút vận tốc 50 vòng/phút
Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4
Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác
Ảnh chụp SEM tinh thể MAP thu được từ nước rác và quan sát qua trắc vi thị kính cho
thấy các tinh thể không đồng đều. Khi chụp phổ XRD ngoài tinh thể MAP còn có các thành phần khác như magie phốt phát (cường độ đo được mầu xanh, Hình 3.12).
- Hòa tách xác định thành phần MAP
Kết quả phân tích MAP trong nước rác được trình bày trong Bảng 3.9
15
Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được
TT
Thông số
Đơn vị
Kết quả
TCVN (*)
%
1
10,75
-
NH4
%
2
+ - N 3- - P
46,00
-
PO4
3
Mg
%
26,7
-
4
SS
%
8,3
-
5
Fe
mg/kg
207,3
10.000
6
Ca
mg/kg
62,38
-
7
Zn
mg/kg
28,06
15.000
mg/kg
8
Cd
0,11
< 25
mg/kg
9
Pb
2,58
300
mg/kg
10
Mn
119,47
15.000
mg/kg
11
Ni
1,94
-
mg/kg
12
Cu
12,80
15.000
mg/kg
13
As
0,044
<3
(*) Thông tư 36/2010/TT-BNNVPTNT về việc xản xuất và kinh doanh phân bón.
+ và PO4
Kết quả phân tích MAP bằng phương pháp hòa tách tại Viện Khoa học và Công Nghệ Môi trường Trường Đại học Bách Khoa Hà nội cho thấy thành phần trong MAP ngoài 3- còn có thành phần kim loại khác. Tuy nhiên các thành phần kim loại Mg2+ NH4 này đều không vượt quá tiêu chuẩn cho phép để sử dụng làm phân bón.
3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2)
3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác
- Đối tượng nghiên cứu là nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài Thành phố Thái Nguyên sau
tách MAP. Nước có đặc trưng (Bảng 3.10) được đưa vào xử lý yếm khí thu biogas.
Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP
TT Đơn vị Tên chỉ tiêu Trước tách MAP (*) Sau tách MAP Hiệu suất XL (%)
1 2 - mg/l 6,2 - 7,3 2.465÷5.090 8,5 1.796÷3.698 - 27,10÷28,75 pH BOD5
3 COD mg/l 5.745÷9.758 4.268÷7.284 25,71÷26,21
4 mg/l 353,0÷577,5 139,4-276,0 52,20 - 60,50
5 Tổng N + mg/l 214,4 - 402,1 103,3- 192,6 51,82 – 52,10 NH4
6 mg/l 40,7-52,3 35,2÷ 47,3 9,56 - 13,51
(*) Mẫu khảo sát từ tháng 9/2013 đến 1/2014
16
7 Tổng P 3- mg/l 35,7-41,2 28,4-39,94 3,10 - 20,44 PO4
3.2.1.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào
Nghiên cứu được tiến hành với COD dòng vào 7.200; 6.080; 5.135 và 4.268 mg/l,
thời gian lưu 48 giờ. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.11) cho thấy: khi COD dòng vào tăng từ 4.268 lên 7.200mg/l hiệu suất xử lý tăng từ 83,25% lên 85,58%. Tải trọng COD tăng từ 2,09 lên 3,60 g/l.ngày. Hệ số tạo biogas tăng từ 0,302÷0,324 lít/gamCODCH.
Như vậy, ở các nồng độ đã khảo sát được đều cho hiệu quả xử lý cao (Bảng 3.11).
Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý
CODvào (mg/l) 4.268 5.135 6.080 7.200 STT
1 715 826 898 1.050 Thông số CODra (mg/l)
2 7,76 7,74 7,8 7,78
3 32,4 35,7 40,1 32,8
4 83,25 83,91 85,25 85,58
5 2,09 2,53 3,00 3,60
6 0,302 0,308 0,312 0,324 pHra Axit bay hơi (VFA ra) Y.COD (%) Tải trọng COD (g/l.d) Hệ số tạo biogas (l/gCODCH)
3.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào cao nhất là 7.200mg/l. Thời gian
được khảo sát ở 36, 42, 48 và 54 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu 48 giờ,
hiệu quả xử lý COD cao (85,84%); COD dòng ra là 1.022mg/l, pH dòng ra 7,76, tải trọng COD đạt 3,10 gCOD/lít.ngày, hiệu quả tạo biogas đạt 0,32 lít/g CODCH.
Khi thời gian lưu lên đến 54 giờ (tăng thêm 6 giờ) hiệu quả xử lý COD tăng không đáng kể
(1,04%). Vậy thời gian lưu ở 48 giờ là tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí (Bảng 3.12).
Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý
T = 36 (giờ)
T = 42 (giờ)
T = 48 (giờ)
T = 54 (giờ)
Thông số
Dòng vào
Y(%)
Y(%)
Y(%)
Y(%)
pH
8,5
Dòng ra (mg/l) 6,65
-
Dòng ra (mg/l) 7,15
-
Dòng ra (mg/l) 7,76
-
Dòng ra (mg/l) 7,82
-
3.820
1.044
72,67
666
82,56
461
87,93
402
89,48
BOD5 (mg/l)
COD (mg/l)
7.216
2180
69,79
1.453
79,86
1.022
85,84
947
86,88
TN (mg/l)
239,7
167,3
30,20
147
38,67
147,4
38,51
148,7
37,96
TP (mg/l)
45,2
35,7
21,02
35,4
21,68
31,79
29,67
32,4
28,32
-
2,52
3,10
3,13
2,88
-
0,204
0,320
0,326
0,252
TK (g/l/d) Y biogas (l/gCODCH)
17
3.2.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng
Các nguyên tố vi lượng được bổ sung dưới dạng muối sunphát hoặc clorua. Lượng vi
lượng cần thiết cho vi khuẩn metan hoá ở các nồng độ sau:
[Co2+] = 0,63 (µg/gCOD) [Ni2+] = 0,65 (µg/gCOD) [Mo2+] = 0,63 (µg/gCOD) [Cu2+] = 0,0038 (mg/gCOD)
[Se2+] = 0,04 (mg/gCOD) [Fe2+] = 0,02 (mg/gCOD) [Mn2+] = 0,05 (mg/gCOD)
Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý
Có bổ sung vi lượng Thông số dòng vào Dòng ra Dòng ra
8,5 3.465 7.184 236,3 46,2 Không bổ sung vi lượng Hiệu quả xử lý (%) - 87,88 85,57 37,24 29,44 7,52 420 1.037 148,3 32,6 7,76 235 807 128,4 29,1 Hiệu quả xử lý (%) - 93,22 88,77 45,66 37,01
- 0,304 0,345 pH BOD5 (mg/l) COD(mg/l) TN (mg/l) TP (mg/l) Ybiogas (l/gCODCH)
Các nguyên tố vi lượng với nồng độ thích hợp giúp tăng đáng kể hoạt lực khí hóa của
vi khuẩn metan, ổn định giá trị pH dòng ra, nâng cao hiệu quả xử lý COD và BOD5.
3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc thiếu khí
3.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của COD dòng vào
Nước rác sau xử lý yếm khí được đưa vào lọc thiếu khí có COD từ 715 ÷ 1.050mg/l
(Bảng 3.14; Hình 3.14).
Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí
QCVN 25- STT Thông số Đơn vị Kết quả
1 pH - 7,60 ÷ 7,75 2009/BTNMT (cột B) 5,5 ÷ 9
2 mg/l 308 ÷ 472 100
3 BOD5 COD mg/l 715 ÷ 1.050 400
4 TN mg/l 136,3 ÷ 150,4 60
5 TP mg/l 24,7 ÷ 33,44 -
Thời gian lưu 24 giờ, thể tích đệm 30%. Với COD biến động từ 700-1000mg/l có thể xử lý được bằng bể lọc thiếu khí với thời gian lưu 24 giờ.
18
3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu
Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí
Để khẳng định một lần nữa kết quả nghiên cứu trên, nước rác sau xử lý yếm khí có
COD ~ 1000mg/l được đưa vào nghiên cứu với thời gian lưu 12, 24 và 36 giờ, thể tích đệm 30% . Ở thời gian lọc 12 giờ, hiệu quả xử lý COD chỉ đạt 42,22%. Khi tăng thời gian lên 24 giờ hiệu quả xử lý COD, BOD5, TN, TP tăng đáng kể (YCOD đạt 61,36%, YTN đạt 52,26%). Tuy nhiên ở thời gian lưu 36 giờ hiệu quả xử lý tăng không đáng kể (3,06%) . Vì vậy thời
gian lưu được lựa chọn là 24 giờ.
3.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thể tích đệm
- Vật liệu đệm sử dụng trong nghiên cứu là xỉ than. Thí nghiệm được tiến hành với
COD dòng vào ~ 900mg/l thời gian lưu 24 giờ
- Thể tích đệm nghiên cứu ở: 20%; 30%; và 40%.
Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí
COD (mg/l) VĐệm(%) YCOD (%) TKCOD (gCOD/lít) TN (mg/l) Dòng vào Dòng ra
20 Dòng vào 995 Dòng ra 456 54,17 144,1 72,3 YTN (%) 49,83 0,593
30 1012 358 64,62 148,1 61,7 58,34 0,654
40 998 334 66,53 145,7 56,8 `61,02 0,598
Kết quả nghiên cứu cho thấy: Thể tích đệm 30% là phù hợp cho quá trình lọc thiếu khí.
3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây
3.2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian lưu
Nghiên cứu được thực hiện với dòng vào có CODTB = 501 mg/l, BOD5 = 181mg/l, TN = 67,4 mg/l, TP = 13,2 mg/l. Thời gian lưu được nghiên cứu ở 48, 54, 60, 72 và 96 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi thời gian lưu tăng, hiệu quả xử lý tăng. Thời gian
lưu của bãi lọc trong nghiên cứu này phù hợp với nghiên cứu của Dennis Konnerupa. Mặc dù
19
thời gian lưu ở 54 giờ hiệu quả xử lý chỉ đạt 75,86% nhưng dòng ra đã đạt quy chuẩn thải
(QCVN 25-2009/BTNMT cột B2). Vậy thời gian lưu của bãi lọc trồng cây chỉ cần là 54 giờ.
Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
T = 42(giờ) T = 54 (giờ) T = 60 (giờ) T = 72 (giờ) T = 96 (giờ)
Thông số (mg/l) Dòng vào
3.2.3.2 Ảnh hưởng của COD dòng vào
COD BOD5 TN TP 501 181 67,4 13,2 dòng ra 382 62,4 37,2 6,2 HQ XL (%) 23,75 65,52 44,81 53,03 dòng ra 366 43,7 21,5 3,7 HQ XL (%) 26,95 75,86 68,10 71,97 dòng ra 348 32,2 19,7 2,6 HQ XL (%) 30,54 82,21 70,77 80,30 dòng ra 322 24,8 17,7 2,3 HQ XL (%) 35,73 86,30 73,74 82,58 dòng ra 304 22,1 15,2 2,0 HQ XL (%) 39,32 87,79 77,45 84,85
Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào ở: 386 mg/l; 436mg/l và 506 mg/l. Các
thí nghiệm được tiến hành lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình. Thời gian lưu 54 giờ.
3.2.3.3 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào
Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây
Thí nghiệm được tiến hành với COD dòng vào từ 356527mg/l, TN dòng vào được
khảo sát ở: 55,6; 60,6 và 69,3 mg/l. Thời gian lưu 54 giờ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý nitơ tăng khi TN dòng vào tăng, hiệu quả đạt + tăng khi nồng độ
+ = 46,1mg/l, hiệu quả xử lý đạt 83,51%.
cao nhất là 67,39 % ở TN vào = 69,3 mg/l. Cũng vậy, hiệu quả xử lý NH4 NH4
+ dòng vào tăng: cao nhất ở hàm lượng NH4
Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây
Chỉ tiêu Dòng vào Dòng ra Hiệu quả XL (%) Tải lượng (g/m2.ng)
COD (mg/l) 506 361,2 28,62 16,09
185 42,7 76,92 15,81 BOD5 (mg/l)
TN (mg/l) 69,3 22,6 67,39 5,19
20
TP (mg/l) 12,7 4,7 62,99 0,089
3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách MAP- sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây)
Nghiên cứu này nhằm khẳng định lại hiệu quả xử lý của các công nghệ trong xử lý
nước rác cũng như sự tác động của các yếu tố trong từng thiết bị của hệ thống.
3.3.1 Đặc trưng nước thải dòng vào
Nước rác tươi có thành phần ô nhiễm khá cao, nước rác được đưa nghiên cứu lấy giá
trị trung bình của bốn lần lấy mẫu. COD = 6.821mg/l; BOD5 = 3.294 mg/l; TN = 427,5mg/l; TP = 73,7mg/l; SS = 521mg/l; độ màu = 4.359 Pt/Co
3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp
Nước rác được tiến hành xử lý liên tục qua 3 giai đoạn: tách MAP; xử lý liên hợp yếm
khí - thiếu khí và bãi lọc trồng cây.
Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống
Sau tách MAP Chỉ tiêu Dòng vào QCVN (*)
pH 7,3 Dòng ra 8,5 Y1 (%) - Sau yếm khí thiếu khí Y2 (%) - Dòng ra 7,66 Sau bãi lọc trồng cây Y3 (%) - Dòng ra 7,67 HQXL của hệ thống (%) - 5,5-9,0
3.294 2.355 28,51 161 66,61 42,6 3,59 98,71 50 BOD5 (mg/l)
COD (mg/l) 6.821 5.037 26,15 457 67,15 341 1,70 95,00 400
Tổng N (mg/l) 427,5 213,8 49,99 71,2 33,36 28,5 9,99 93,33 60
73,7 35,02 52,48 Tổng P (mg/l) 11,4 32,05 3,21 11,11 95,64 6
521 332 36,28 38,4 56,35 22,8 2,99 95,62 100
(*) QCVN 25-2009/BTNMT (cột B2)
150 4.359 4.108 5,76 1.157 67,70 138 22,23 95,69 SS (mg/l) Độ màu (Pt/Co)
Bảng 3.22 cho thấy hiệu quả xử lý của hệ thống đạt 98,71% với BOD5; 95% với COD;
93,33% với TN; 95,64 % với TP; 95,62% với SS và 97,52% độ màu.
Với công nghệ xử lý được đề xuất, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải mức B2 QCVN
25/2009 - BTNMT. Lượng MAP thu được là 2,34g/lít. Hiệu quả tạo biogas là 0,31 lit biogas/gCOD chuyển hóa. Tải trọng của bãi lọc trồng cây đạt: 13,1g BOD5; 12,9g COD; 4,7g TN; 0,9g TP và 1,7g SS trên 1m2 diện tích.
Kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nước rác: MAP - Sinh học (yếm,thiếu khí, bãi lọc trồng cây) có hiệu quả khá cao không những về mặt môi trường mà còn có giá trị về mặt thẩm mỹ.
21
3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng
3.4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (Hình 3.17)
Nước rác
Bể điều hòa
PAC
Đông keo tụ
Lắng 1 NaOH, MgCl2; KH2PO4
Kết tinh MAP
Ly tâm tách MAP
MAP
Bùn
Bể chứa trung gian
Bể tích hợp yếm – thiếu khí
Bãi lọc trồng cây
Xử lý bùn Nước rác sau xử lý
Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng
3.4.2. So sánh với một số công nghệ hiện hành
a, Một số công nghệ xử lý nước rác đang được áp dụng
- Công nghệ oxy hóa - sinh học 1:
Nước rác → đông keo tụ → oxy hóa (peroxon) → yếm khí → thiếu khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ Stripping – sinh học 2:
Nước rác → đông keo tụ → tháp striiping (đuổi amoniac) → yếm khí → hiếu khí →
hồ sinh học → nguồn tiếp nhận
- Công nghệ tách MAP – sinh học 3:
Nước rác → đông keo tụ → MAP → yếm khí → thiếu khí → bãi lọc trồng cây →
nguồn tiếp nhận
22
b, So sánh chi phí vận hành
STT
Công nghệ
Peroxon -sinh học 1 Stripping -sinh học 2
Bảng 3.29 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3) Chi phí nhân công 7.019 8.365 6.154
Chi phí điện năng 33.451 29.717 2.137
Chi phí hóa chất 38.086 10.843 31.338
1 2 3 MAP - sinh học 3
Tổng chi phí vận hành 78.557 48.925 31.629
MAP thu được ~ 400kg MAP/ngày 2kg MAP/1m3 *4.000 đ = 8000 đ
Vậy chi phí xử lý nước rác của công nghệ MAP là 39.629 – 8.000 = 31.629 đ/m3
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án đã nghiên cứu và đưa ra được công nghệ xử lý nước rác tích hợp các phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học. Công nghệ xử lý thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng (1,54kWh/m3) và có giá trị thẩm mỹ cao. Mặt khác công nghệ còn tận thu được nguồn nitơ phốt pho trong nước rác làm phân bón cho cây trồng.
Công nghệ này được tích hợp 3 công đoạn:
- Tách nitơ phốt pho thu hồi MAP trong nước rích rác đã loại bỏ được ~ 51-52% + ở pH = 9,0. Kết tinh MAP thu được có kích thước có thể đạt 502m. Lượng MAP thu NH4 được 1,43-2,34 g/lít nước rác. Với kích thước này có thể tách MAP bằng lắng đơn giản (nhờ lực trọng trường).
- Nước rác sau tận thu nitơ, phốt pho bằng kết tinh MAP được xử lý yếm khí, hiệu quả
xử lý đạt 88,7% COD và hiệu quả thu biogas là 0,345 lít/gCODCH.
- Xử lý thiếu khí sử dụng vật liệu đệm là xỉ than hiệu quả xử lý đạt 46-55% COD, 50-
60%TN; 54-65%TP.
- Cuối cùng nước rác được xử lý tại bãi lọc trồng cây, thực vật được sử dụng là cây riềng hoa (Canna Lily) trồng trên giá thể. Với thời gian lưu 54 giờ hiệu quả xử lý của bãi lọc là 76% BOD5; 50% với TN; 63% với TP, nước thải dòng ra đạt quy chuẩn thải QCVN 25- 2011/BTNMT. Năng lực tải của bãi lọc đạt 16,09gCOD; 3,86gTN; 0,89gTP/m2.ngày.
- Công nghệ kết hợp tách MAP và xử lý sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây). Cho hiệu quả kinh tế cao, ước tính nhu cầu điện năng 1,54kW/h điện/m3 nước rác, chỉ bằng 7,2% so với công nghệ stripping và 6,4% so với công nghệ oxi hóa nâng cao.
2. Kiến nghị
- Hoàn thiện công nghệ và thiết bị tách MAP ở quy mô pilot làm sơ sở để triển khai
quy mô lớn hơn.
- Liên kết với một đơn vị chức năng để nghiên cứu sử dụng hiệu quả MAP trong trồng trọt.
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án, tiếp tục nghiên cứu tách MAP ở các loại nước thải giầu nitơ, phốt pho khác (nước thải chế biên thuỷ sản, chăn nuôi, chế biến mủ cao su…).
- Nghiên cứu sâu hơn về giá trị kinh tế mà Canna lily đem lại.
24
